共役高分子骨格の構造と電子輸送性～界面構造・骨格構造変形とキャリア種の全貌～

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03918
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 関 修平 京都大学, 工学研究科, 教授 (30273709)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 界面 / 共役高分子 / 電子輸送 / 光エネルギー / 水素発生 / ２次元 / COF / ポリアセチレン

研究実績の概要

２０２１年度は，当初研究目的４）に対応する研究項目３－ESR-TRMC複合計測に
よる伝導種の中でも電荷輸送とスピン輸送の個別定量分析・相関を中心に研究を実施した．時間分解マイクロ波伝導度測定法（TRMC法）は物質中の電気伝導度を直ちに与えるが，最終的な電荷移動度の完全実験的な計測には，キャリア数定量が不可欠であり，これを電子スピン共鳴法（ESR）を用いてスピンカウントを行い，全実験的定量分析法として完結させた．同時に，紫外可視吸収分光測定を加えて三元分光法とし同時相関測定を実現した．
高分子材料としては主に，ポリアセチレン系高分子・２次元発達共役高分子（COF）などを対象とし，スピン活性なPolaron種・スピンサイレントなPolaron Pairの輸送特性・存在比を定量的に明らかとした．特に後者では，電子輸送に伴う化学反応活性中心としての役割を明らかとし，２次元共役骨格内でもバンド様電子輸送が可能となることを指摘している．電子移動度は無機半導体材料の代表例であるアモルファスシリコンに十分に匹敵する領域まで達することを明らかとし，２次元界面における構造と電子輸送特性の相関と，その最適化のための指針を提案した．
加えて，スピン活性種については共役有機骨格の小さなスピン軌道相互作用を反映し，数100 nmに至るスピン拡散長実現できることを明らかとした．
これらの研究成果は一部をすでに論文として発表し，さらに電子伝導種の移動度・スピン情報を同時にかつ定量分析が可能な手法として積極展開を行っており，海外の研究機関との共同研究を実施している．

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Ruprecht-Karls-Universitaet(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology/Ruprecht-Karls-Universitaet
• [国際共同研究] University of the Basque Country(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: University of the Basque Country
• [国際共同研究] Institute of Nano Science(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Institute of Nano Science
• [雑誌論文] Facile synthesis of an ambient stable pyreno[4,5-b]pyrrole monoanion and pyreno[4,5-b:9,10-b′]dipyrrole dianion: from serendipity to design (2022)
  • 著者名/発表者名: Sharvan Kumar, Kohshi Yoshida, Yusuke Hattori, Tomohiro Higashino, Hiroshi Imahori, Shu Seki
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 13 ページ: 1593-1599
  • DOI: 10.1039/d1sc06070h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band-like Transport of Charge Carriers in Oriented Two-Dimensional Conjugated Covalent Organic Frameworks (2022)
  • 著者名/発表者名: Samrat Ghosh, Yusuke Tsutsui, Takahiro Kawaguchi, Wakana Matsuda, Shusaku Nagano, Katsuaki Suzuki, Hironori Kaji, and Shu Seki
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 34 ページ: 736-745
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dendritic-Like Molecules Built on a Pillar [5] arene Core as Hole Transporting Materials for Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ottavia Bettucci, Jorge Pascual, Silver-Hamill Turren-Cruz, Andrea Cabrera-Espinoza, Wakana Matsuda, Sebastian F Voelker, Hans Koebler, Iwona Nierengarten, Gianna Reginato, Silvia Collavini, Shu Seki, Jean-Francois Nierengarten, Antonio Abate, Juan Luis Delgado
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 31 ページ: 8110-8117
  • DOI: 10.1002/chem.202101110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interplay of structural dynamics and electronic effects in an engineered assembly of pentacene in a metal-organic framework (2021)
  • 著者名/発表者名: Ritesh Haldar, Mariana Kozlowska, Michael Ganschow, Samrat Ghosh, Marius Jakoby, Hongye Chen, Farhad Ghalami, Weiwei Xie, Shahriar Heidrich, Yusuke Tsutsui, Jan Freudenberg, Shu Seki, Ian A Howard, Bryce S Richards, Uwe HF Bunz, Marcus Elstner, Wolfgang Wenzel, Christof Woell
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 12 ページ: 4477-4483
  • DOI: 10.1039/D0SC07073D
  • 査読あり / 国際共著